为什么要去火星

文| 苗千   2017-04-02 21:58:25

2015年10月13日,美国航空航天局发布火星探测器“好奇号”在火星岩石上执行任务时留下的自拍照特朗普在2017年3月21日签署的S.442号总统令,使美国政府对美国航空航天局(NASA)进行财政支持成为法律。根据这条总统令,美国政府将为NASA持续提供资金支持,帮助科学家们在21世纪30年代把宇航员送上火星。

火星是太阳系中的第四颗行星,这颗行星距离地球2亿多公里,只有地球六分之一大小,一个火星日大约有24.6个小时,一个火星年则有大约687个地球日。火星表面的平均温度在零下60多摄氏度,表面遍布着火山和峡谷,如今它成为在月球之后,人类进行太空探索的下一个目的地。人类为什么要登上火星?因为越理解火星,人类就越能够理解地球以及其他行星,火星代表了地球的另一种可能。

即使是不载人的太空探测,从地球到火星的路途上也充满着艰险。人类向火星发射过数十个探测器,总共只有大约三分之一完成了任务。对于人类目前的技术来说,探测火星仍然是一个极具挑战性的工作。把宇航员送往火星,再让他安全返回地球,其技术难度可想而知。几十年来,为了探测火星,为登陆火星做准备,人类发射了火星轨道探测器和探测车。“好奇号”火星车收集了火星表面的各项数据,而计划在2020年发射的火星探测器则将探测在火星表面包括氧气在内的各种可利用资源。这是人类向太空中拓展的必不可少的一步,也将解答一些问题:火星是否曾经适合微生物生存?人类在未来有没有可能在火星生存?从火星我们能否看到地球的未来?

这个“荧荧如火”的行星被中国古人命名为“荧惑”,而古罗马人则因为其血一样的颜色以罗马战神命名其为“Mars”。美国航空航天局的飞行器“水手4号”(Mariner 4)在1965年第一次飞掠火星,为人类发回22张火星的清晰照片,展示出一个死寂的世界。但随后越来越多的探测表明,火星曾经有过活跃的历史,2004年,NASA发射的两个火星探测器“精神号”(Spirit)和“机会号”(Opportunity)发现了在火星表面曾经长时间存在液态水的证据。2012年,火星探测器“好奇号”(Curiosity)进一步发现,火星的环境可能曾经适合微生物的生存。

对于火星更多的研究是在地球上通过望远镜进行的。人们可以看到这个被荒漠覆盖的行星景观也会呈现出季节性的变化。在火星的极点有冰层覆盖,冰层的面积会随着季节而改变。人类早就发现火星有两个月亮,分别以战神的两个儿子命名火卫一(Phobos)和火卫二(Deimos)。这两颗卫星因为自身质量不大,并不足以通过自身引力而形成球状,因而有着像土豆一样不规则的外观。人们曾以为这两颗卫星都是火星通过自身重力捕获的小行星,而最新的研究结果表明,这两个卫星可能有着截然不同的身世。

2017年3月20日,美国普渡大学的学者在《自然·地质科学》杂志发表论文,论述通过电脑模拟证明,火星在大约43亿年前也和土星一样拥有环状结构——当时太阳系内部很多小天体撞击火星形成的碎片,在火星的引力作用下形成了一个火星环,而后构成火星环的物质逐渐聚合成为一颗火星的卫星。这颗卫星要比现在的土卫一大很多,它受到火星引力的吸引,逐渐接近火星,最终被引力撕裂,卫星的一部分落在火星表面,另一部分则重新构成火星环——这些剩余的火星环经过漫长的时间又会重新成为一颗卫星,而后又会重蹈覆辙,再次被火星的引力撕裂。论文作者认为,如今的土卫一也在重复这个过程,它正在逐步接近火星,在大约5000万至7000万年之间,就将撞向火星表面,而后剩余大于20%的物质仍然会留在火星轨道上,再形成新的火星环(土卫二则可能是被火星引力捕获的小行星)。

在40亿年前,火星也可能拥有强烈的地磁场,而在35亿年前,火星表面曾经发生过大洪水,这场洪水持续了多长时间、这些水最终都去了哪里,至今仍是未解之谜。目前火星表面的低温和低气压环境使液态水无法长时间存在,解开火星上的水之谜,是人类理解火星气候历史的关键,同时也有助于人们了解火星环境是否曾经适合生命存在。在30亿年前,火星的火山爆发非常频繁,一些更年轻的火山则形成于10亿~20亿年前。火星拥有太阳系内最大的火山奥林巴斯(Olympus Mons),又有着壮观的赤道大峡谷水手号(Valles Marineris)——这些景观是由火星曾经活跃的地质活动和复杂的气候条件共同塑造的。

理解火星火山的活动规律,将是理解火星内部构造的关键。NASA科学家在《地球与行星科学通讯》杂志上发表论文,论述关于火星火山的最新研究结果。文章中论述火星巨大的盾形火山阿尔西亚山(Arsia Mons)在它最活跃的时期,大约每100万到300万年的时间喷发一次岩浆,而它的最后一次喷发发生在5000万年以前,其间地球正处于白垩纪-第三纪灭绝事件的过程中,火星火山归于沉寂与地球上恐龙灭绝大约发生于同一时间。

人类想要登上火星,因为火星就在那里。史无前例的太空探索需要拥有超强动力的火箭发射系统和太空飞船。美国航空航天局正在研发的“猎户座”载人探索飞行器(Orion Crew Exploration Vehicle)和太空发射系统(Space Launch System)将是载人火星探测计划能否成功的关键。凭借着强大的动力,太空发射系统足以把载有4位宇航员的猎户座飞船送入外层空间。这个系统的载荷、容积和能量都超过之前所有的火箭系统,并有着不断改进的空间,不仅可以用于进行火星登陆,在未来还有可能用于土星和木星探测。

美国航空航天局在2015年完成了太空发射系统的关键设计。第一代太空发射系统的运载火箭Block 1高达98米,将有70吨的载荷,第二代的Block 1B将拥有115吨的载荷——随后一代的Block 2将有143吨的载荷——这种可以进化的设计将使人类在短时间内进行深空旅行成为可能。太空发射系统将搭载着猎户座飞船,使宇航员们探索人类从未到达过的太阳系深处,再护送宇航员们重新进入地球的大气层,这个过程必将充满艰险。

2017年3月8日,NASA的工程师们在亚利桑那州进行了猎户座飞船的降落伞实验。一架C-17运输机在距离地面7.6公里的高空抛下一个猎户座飞船的工程模型,模拟在发射之后宇航员放弃飞行任务,利用降落伞逃离的过程,试验圆满完成。按照计划,在21世纪20年代太空发射系统将载着没有宇航员的猎户座飞船绕行月球之后返回地球,之后还会载着一名宇航员进行一次为期一年的深空旅行,为最终登陆火星做准备。

(本文写作参考了美国航空航天局网站和《自然》杂志的报道)

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